Análise da carga térmica de resfriamento de sistemas de condicionamento de ar automotivo utilizando método Projeto Robusto

Abstract

Os níveis de poluição ambiental registrados, resultantes da atividade humana, têm agravado nas últimas décadas. Tal situação motiva empresas e o meio acadêmico a buscarem processos e produtos sustentáveis, que minimizem a agressão e poluição do meio ambiente. Adicionalmente, a Agência Internacional de Energia estabeleceu metas de redução da emissão líquida de CO2, que devem ser atingidas até o ano de 2050. Dentre as atividades que emitem CO2, observa-se que os veículos privados e vans contribuíram com cerca de 10% das emissões globais. Por este motivo, o setor automotivo tem adotado medidas que levem à redução do consumo de combustível, como por exemplo a utilização de sistemas de condicionamento de ar mais eficientes. Diferentes estudos mostram que o entendimento das cargas térmicas encontradas na cabine de passageiros é um pré-requisito chave de um projeto eficiente de qualquer sistema de condicionamento de ar automotivo. Como os parâmetros de projeto e condições de operação de um veículo têm relação direta com a carga térmica de um automóvel e, consequentemente, com o seu consumo de energia este trabalho estabelece como objetivo analisar os efeitos de parâmetros geométricos, construtivos e operacionais de um veículo sobre a carga térmica do sistema de condicionamento de ar. Para tanto, foi escolhido um automóvel, objeto de estudo e desenvolvido um modelo matemático baseado em fundamentos termodinâmicos e de transferência de calor, capaz de estimar a carga térmica do sistema de condicionamento de ar automotivo. A partir do desenvolvimento do modelo, foram analisados os efeitos das interações entre os fatores de controle e de ruído, onde foi possível chegar a uma condição referência. Adicionalmente, o método projeto Robusto de produtos e a simulação de Monte Carlo foram empregados em conjunto com o modelo matemático para determinar o efeito de diferentes parâmetros de entrada do modelo e identificar oportunidades de redução da carga térmica, bem como da sua variabilidade. Em seguida, foram elaborados novos conceitos com objetivo de reduzir a média da carga térmica total no interior do veículo e sua variabilidade. O método ANOVA foi utilizado para avaliar a existência de diferenças significativas entre os conceitos propostos e a referência. Na construção dos conceitos foi observada uma redução de até 528 W, equivalente a 15,9% em relação a referência.

Abstract: The levels of environmental pollution recorded, resulting from human activity, have worsened in recent decades. This situation motivates companies and the academic community to seek sustainable processes and products that minimize environmental harm and pollution. Additionally, the International Energy Agency has established goals for reducing net CO2 emissions to be achieved by the year 2050. Among the activities that emit CO2, it is observed that private vehicles and vans contributed to approximately 10% of global emissions. For this reason, the automotive sector has adopted measures aimed at reducing fuel consumption, such as the use of more efficient air conditioning systems. Various studies show that understanding the thermal loads present in the passenger cabin is a key prerequisite for an efficient design of any automotive air conditioning system. Since the design parameters and operating conditions of a vehicle are directly related to the thermal load of a car and, consequently, its energy consumption, this work aims to analyze the effects of geometric, construction, and operational parameters of a vehicle on the thermal load of the air conditioning system. For this purpose, a mathematical model based on thermodynamic and heat transfer principles was developed, capable of estimating the thermal load of the automotive air conditioning system. Additionally, the Robust Design method and Monte Carlo simulation were employed in conjunction with the mathematical model to determine the effect of different input parameters and identify opportunities for reducing the thermal load, as well as its variability. Then, concepts were developed aiming to reduce the average of the total thermal load inside the vehicle and its variability. The ANOVA method was used to assess the existence of significant differences between the concepts and the reference. In the construction of the concepts, a reduction of up to 528 W was observed, equivalent to 15,9% compared to the reference concept.